Empleo de la Luz para mejoramiento de la productividad, la competitividad y el cuidado del Medio Ambiente

John H. Reina Estupiñán Efraín Solarte Rodríguez

Problema u Oportunidad

Nuestra Región carece de la infraestructura suficiente para desarrollar soluciones de alta tecnología, en particular de las que se basan en la Fotónica, utilizadas para análisis y estudio de procesos agrobiotecnológicos, y en el desarrollo, el control, la modificación y el seguimiento de los procesos agroindustriales; físicos, químicos o biológicos involucrados tanto en las cadenas de producción como en los desarrollos de ciencia y tecnología a nivel básico.

Oportunidad Las técnicas ópticas en el campo de la agricultura permiten obtener información precisa sobre el estado de suelos y cultivos para controlar y manejar el proceso de producción: siembra, crecimiento y cosecha, con importantes beneficios en control de insumos, que redundan en el monto final de costos de producción y la calidad y cantidad de la misma.

Objetivo - Solución

Desarrollar un macroproyecto que en un horizonte de dos años permita la creación y puesta en marcha del Centro de Investigación en Bio-Fotónica e Informática –CIBioFi- de la región Pacífico, como una institución científica de desarrollo tecnológico e innovación, que mediante la aplicación y el uso de las propiedades de la luz, permita la interacción de diferentes disciplinas para la solución de problemas específicos que afectan campos prioritarios de la agro-producción regional, la integridad del medio ambiente, y el bienestar de los ciudadanos

Complejos de Proteina ayudan a los Fotosistemas I y II a colectar luz; contienen antenas de moléculas de clorofila y caroteno

AGROBIOFOTÓNICA

EQUIPO científico de desarrollo tecnológico e innovación, que mediante la aplicación y el uso de las propiedades de la luz, interactuando con otras diferentes disciplinas produzca soluciones a problemas específicos.

Específicamente

• Desarrollar métodos, productos y técnicas

• en agrobiofotónica, fisiología vegetal y molecular, y agricultura de precisión

en agrocultivos prioritarios de arroz, frutales, ají, caña y caucho.

• para el estudio de mecanismos de transferencia de energía en células, tejidos

biológicos y sistemas de conversión fotónica.

• óptico-fotónicas para el control atómico y molecular en estructuras orgánicas

y biológicas (fotosíntesis, asimilación de nutrientes, conversión de energía).

• en agrobiotecnología y agrobiofotónica para incrementar la productividad de

los cultivos agrícolas priorizados.

• Montaje de una plataforma informática para modelado de: i) Cambio climático y

su impacto sobre biodiversidad, las poblaciones humanas y sector agroproductivo,

ii) Sistemas de información para agricultura de precisión, iii) Sistemas de interacción

biológica, molecular y agrobiofotónica

Proponentes

Academia

Empresa

Estado

Impacto

Talento Humano

Masa Crítica: 80

Investigadores

Social

5.000 empleos

Medio Ambiental Calidad Aire & Agua Insumos y Residuos

Agroindustrial

15.000 ha

Cultura Científica

AREAS DE IMPACTO C&T

• Agrobiotecnología: Agronomía, Botánica, Fisiología Vegetal, Edafología, Control biológico,

• Biofotónica: Espectroscopía: multiespectral, fluorescencia, Láser y ultra-rápida; Fotobioquímica; Microscopía alta resolución; Metrología

• Biodiversidad y Medio Ambiente: Botánica, Fisiología Vegetal, Edafología, Espectroscopías (LIF, LIDAR, DOAS), Cambio Climático

• Genética, Biología y Bioquímica Moleculares: Fenotipos biológicos, Diversidad genética , Fisiología molecular, Cultivos y tejidos, Microbiología, Conversión y transferencia de Energía

• Informática: Procesamiento de datos, imágenes y simulación de procesos ambientales y biomoleculares complejos

AREAS DE IMPACTO HAS

• Agroindustria: Mejoramiento de productividad, Incremento y aseguramiento de competitividad, producción más limpia, mejoramiento de calidad de producto, diversificación, calidad y seguridad alimentaria, empleo

• Talento humano: Programas de formación avanzada en Ciencias e Ingeniería. Temas y trabajos de investigación: PhD, MSc y BSc. Capacitación en las nuevas técnicas y tecnologías del personal en todos los niveles de la cadena.

• Transformación productiva: El Centro, grupos de investigación, agrupaciones empresariales e interacción Universidad-Empresa-Estado y finalmente empresas de base tecnológica

• Innovación: Soluciones técnicas y tecnológicas a problemas regionales (producción agrícola), mejoramiento de productos y procesos, apropiación y transferencia de tecnologías

Concepción

Tierra

Aire

Agua Luz

Átomo Molécula

Información

ἀρχή

Información

Tierra

Aire

Agua

Luz

Plataforma para modelado de cambio

climático (biodiversidad y agroindustria), bioinformática &

biofotónica

Tierra

Aire

Agua

Luz

Relevancia Regional

El CIBioFi brindará oportunidades nuevas e impactará apreciablemente las cadenas de producción agroindustrial del Valle del Cauca mejorando su eficiencia e incrementando su productividad:

1. Información: Suelo, Agua, Clima, Estado de cultivo, Fisiología molecular, Base Datos

2. Métodos: Control macro, Control molecular, genético, microbiológico

3. Atención al Medio Ambiente: Calidad de Agua y Aire; evolución de contaminantes

4. Diseño de procesos amigables: Métodos no invasivos de diagnóstico, de control

y de producción en los cultivos

Los cultivos de gran extensión y aquellos que demandan soluciones de control y seguimiento de alta tecnología (arroz, el ají y los frutales), requieren el desarrollo de métodos (fotónicos) de agricultura de precisión que combinados con desarrollos agrobiotecnológicos, mejoren la calidad de cultivos.

Presupuesto 2012-2014

Eje Ciencia Tecnología e Innovación

1 Investigación aplicada que potencie el desarrollo de

las cadenas productivas de interés estratégico. $ 2.088.056.000

3 Centros y parques de Investigación e innovación para

el desarrollo Regional $ 388.117.1000

4 Formación del talento humano para la investigación,

la innovación y el desarrollo tecnológico $ 1.023.268.000

TOTALES $ 6.992.494.000

1o. Año 2o. Año

2o. Sem 2012 1er. Sem 2013 2o. Sem 2013 1o. Sem 2014

Personal Administrativo

10.686.000 10.686.000 131.366.500 138.567.500

Personal Científico 98.891.000 249.591.500 249.591.500 219.994.000

INVERSIÓN 1.768.560.000 1.264.560.000 1.735.500.000 1.114.500.000

TOTAL AÑO 1.878.137.000 1.524.837.500 2.116.458.000 1.473.061.500

3.402.974.500 3.589.519.500

Muchas Gracias!

Presupuesto Global

1er Año 2o.Año 3er. Año 4o. Año 5o. Año

2012 a 2013 2013 a 2014 2014 a 2015 2015 a 2016 2016 a 2017 TOTALES

Personal Administrativo $ 21.372.000 $ 269.934.000 385.143.000 408.253.000 432.748.000 1.517.450.000

Personal Científico $ 348.482.500 $ 469.585.500 1.614.033.000 1.789.003.000 1.609.952.000 5.831.056.000

ESPACIO FÍSICO 350.000.000 2.700.000.000 280.000.000 150.000.000 150.000.000 3.630.000.000

EQUIPO ROBUSTO 2.100.000.000 0 875.001.000 875.001.000 500.001.000 4.350.003.000

EQUIPAMIENTO BÁSICO 423.120.000 0 159.999.000 159.999.000 159.999.000 903.117.000

MATERIALES E INSUMOS 160.000.000 150.000.000 83.428.000 83.428.000 83.428.000 560.284.000

COSTO ANUAL $ 3.402.974.500 $ 3.589.519.500 $ 3.397.604.000 $ 3.465.684.000 $ 2.936.128.000

16.791.910.000

Tierra

Implementación y desarrollo de métodos en Agrobiotecnología

Implementación y desarrollo de tecnología en Agrofotónica (e.g., estimulación bio-

fotónica, agricultura de precisión)

Luz biofotónica: base de procesos biológicos

Seres vivos: interacción de la materia con la luz

Arroz Ají Cultivos Prioritarios Frutas tropicales Caucho

Aire & Agua

Control de Estado y Calidad de Aire y Agua

Luz & Átomo

Mecanismos de transferencia de energía en células, tejidos biológicos,

sistemas de conversión fotónica & fotosíntesis artificial

Fotónica para control atómico y molecular en estructuras orgánicas y

biológicas

AgroBioTec

IMPACTO AGROINDUSTRIAL

Reducir los requerimientos de fertilizantes químicos, pesticidas y herbicidas

Reducir el nivel de contaminación de los suelos agrícolas

Usar eficientemente el agua de riego

Maximizar el contenido nutricional del producto

Incrementar su tamaño, calidad y/o rapidez de crecimiento

Incrementar el rendimiento de cosechas

Entidades Proponentes

Entidades Proponentes

Entidades Proponentes

@CIBioFi

Pretende:

• Fomento de una cultura de investigación científica regional a través de desarrollos en investigación aplicada al sector agroproductivo

• Formación de talento humano que impulse y fortalezca la innovación en procesos de impacto científico, tecnológico y productivo

• Generación de conocimiento sobre la influencia de los cambios climáticos locales en los ecosistemas agrícolas del suroeste de Colombia

• Producción de información y conocimiento para la construcción de políticas de mitigación del daño y de educación ambiental

• Fomento de las alianzas y colaboraciones directas con el sector productivo, la universidad y el estado

Para llegar a ser:

• Un Centro de referencia con impacto regional e internacional

• Un nicho para I&D e implementación de procesos de transferencia de tecnología

Fisiología vegetal y molecular de plantas aplicada a los procesos de asimilación de nutrientes y diagnóstico de estado de cultivos

Análisis de estrés en plantas por factores externos y ambientales

Determinación de los parámetros biológicos esenciales para el diseño de mapas de control y productividad en cultivos de gran extensión

Microscopía de fluorescencia de alta resolución

Análisis funcional de la interacción planta-bacteria en sistemas agro-productivos

Análisis genético funcional de la diversidad genética en sistemas agro-productivos

Tecnologías para crecimiento y reproducción in vitro de especies de cultivo

Aislamiento y propagación de microorganismos beneficiosos para la producción de cultivos

Agrobiotecnología I

Objetivos específicos:

Caracterizar la diversidad genética y funcional de las comunidades microbianas endófitas establecidas en los tejidos de especies de cultivo de interés (arroz, ají, frutas tropicales, caña)

Promover la colonización de tejidos vegetales por especies/consorcios bacterianos con impactos positivos sobre el crecimiento y la productividad de especies de cultivos

Caracterizar la dinámica de colonización y la estructura de comunidades bacterianas en sistemas recuperados con biochar

Asociar especies bacterianas endófitas con roles promotores de crecimiento a las especies de cultivo de interés

Agrobiotecnología II

Tierra Agrobiofotónica: investigación para el desarrollo tecnológico de impacto en la maximización de la productividad de los

cultivos agrícolas

Desarrollo de un sistema de Fotografía Multiespectral (UV-VIS-NIR-TIR)

Utilización de métodos espectroscópicos (UV, VIS, NIR, TIR) para diagnóstico de cultivos y asimilación de nutrientes

Desarrollo de un sistema de levantamiento de mapas de estado de terreno y cultivo

Construcción de una base de datos para agricultura de precisión

Desarrollo y aplicación de métodos ópticos para control de maduración de cultivos y control de calidad de frutas

En Corto:

CIBioFi

AgroBioTec

Fotónica

Inter & Transdisciplinariedad: 13 Grupos de Investigación

LIF Fluorescencia Chl

STRESS en Plantas

Male et al. Environ Earth Sci (2010) 60:251–261

E.J. Rosero, E. Solarte, 2008

Mediciones Espectrales

Espectros de absorción de hierba con diferentes grados de humedad

600 700 800 900

0

100

200

300

400

500

600Fluorescencias

Planta Normal

Planta Luz Azul

Planta Luz Roja

Inte

nsid

ad

(s

-1)

Longitud de Onda (nm)

Efectos de estrés lumínico

Fluorescencia de Clorofila

Plantas de Maíz

Plantas de Fríjol

Estudio de color de frutos - Luz reflejada

Tomate

Café

LIF

Fluorescencia Inducida por Láser

0 50 100 150 200 250

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

Re

sid

en

ce

[h

-1]

Time [h]

Heliconias

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Re

sid

en

ce

[h

-1]

Time [h]

Phragmites

0 50 100 150 200

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

0.020

Re

sid

en

ce

[h

-1]

Time [h]

Control

Caracterización del flujo de agua en humedales artificiales

“Diseño y montaje de un micro lidar para

estudios de contaminación atmosférica”

0

1

2

3

0

50

100

150

200

250300

3500

1

2

3

Scattering diagram (x=10)

Arb

itra

ry l

on

g u

nit

s

0 1 2 3 4

0

1

2

3

4

=476,5 nm

=496,5 nm

=514,5 nm

Efi

cie

nc

ia d

e e

xti

nció

n Q

ex

t

Radio de los dispersores [m]

490 500 510 520 530 540

0

50

100

150

200

Inte

ns

ida

d R

etr

od

isp

ers

ad

a

[s-1]

Longitud de Onda [nm]

Ar+ Laser

: 514.5 nm

W: 1.7 W

Radiación Retrodispersada

Equipamiento